Cristal

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Umcristalé umsólidono qual os constituintes, sejam elesátomos,moléculasouíons,estão organizados num padrão tridimensional bem definido, que se repete no espaço, formando uma estrutura com umageometriaespecífica.

Cristais deinsulinaobtidos por cristalização noEspaço exterior(em condições demicrogravidade).

Emquímicaemineralogia,um cristal é uma forma damatériana qual aspartículasconstituintes estão agregadas regularmente, criando umaestrutura cristalinaque se manifesta macroscopicamente por assumir a forma externa de um sólido de faces planas regularmente arranjadas, em geral com elevado grau de simetria tridimensional.

Cristalderiva da palavra emgrego clássico:κρύσταλλος(krustallos) que quer dizer ao mesmo tempo "gelo"e"quartzo".

Cristais e vidros

Embora o termocristaltenha um significado preciso no âmbito daciência dos materiaise da física do estado sólido, em linguagem coloquial o termo é utilizado de forma muito abrangente para designar objectos sólidos que apresentam características de brilho e forma bem marcados, em geral associados a formas geométricas simples. Se alguns são cristais, como o gelo, anevee osal de cozinha,outros são na realidade vítreos, isto é são compostos por materiais cujosátomosnão apresentam qualquer ordenação especifica.

Apesar de em geral o arrefecimento de uma substância conduzir à formação de cristais (isto é àcristalização), tal não é uma verdade universal. Misturas de substâncias muito heterogéneas raramente cristalizam e em alguns casos o arrefecimento pode ser tão rápido que asmoléculasou átomos perdem mobilidade antes de poderem atingir a posição correcta na malha cristalina. Um material não cristalino, como o vulgarvidro,não apresenta ordenação espacial dos seus átomos ou moléculas ao longo de distâncias consideráveis, face ao raio desses átomos ou moléculas, pelo que é denominadoamorfoouvítreo.Estes materiais são em geral denominados sólidos amorfos,sendo um exemplo geológico conhecido aobsidiana.

Na linguagem corrente e no comércio, a palavracristalé utilizada para designarvidrosde elevada transparência e qualidade, genericamente comercializados comocristais.Estes cristais de vidro não são mais do que vidro com um elevado teor deóxido de chumbo,os quais, como vidros que são, não têm estrutura cristalina, já que neles os átomos não apresentam qualquer forma de arranjo regular. Taisvidros,apesar de denominadoscristais,não podem de forma alguma ser considerados um cristal no sentido utilizado no presente texto.

Estrutura e formação dos cristais

Célula unitária da estrutura de um cristal de sal (NaCl). Note-se a ordenação dos átomos.

Num cristal a posição de cada um dos átomos, moléculas ouíonsque o constituem, que para economia discursiva passaremos a designar (de forma menos correta) por partículas, é determinada pelas posições ocupadas já existentes. Assim, no momento decristalização,a partícula forma com as suas vizinhas um conjunto deligações químicas(de qualquer tipo, indo das iônicas às ligações fracas) que determina a posição espacial que tenderá a ocupar.

Em resultado desse processo, forma-se uma estrutura tridimensional, mantida de forma mais ou menos rígida pelas ligações entre partículas, que se vai progressivamente propagando no espaço, formado assim um sólido que tenderá, pela expressãomacroscópicadesta ordenação interna, a ter uma forte tendência para a simetria. São esses os sólidos a que chamamos cristais.

As estruturas cristalinas ocorrem em todos os tipos de materiais com todo o tipo de ligações intermoleculares e interatómicas.

Quase todas asligações metálicaspor nuvem deelétronscoexistem com um estado poli cristalino, já que os metais em estado amorfo ou mono cristalino raramente existem na natureza. A generalidade dos sais cristaliza, já que asligaçõesiônicas, formadas a partir da condensação de soluções, ou da solidificação de sais emfusão,formam malhas cristalinas muito estáveis. Daí que quase todos os sais em estado sólido sejam cristais. Asligações covalentestambém são muito comuns em cristais, em particular em cristais orgânicos (como osaçúcarese asproteínaspuras). Outro exemplo de cristais com ligações covalentes são odiamantee ografite.Ospolímerosem geral apresentam regiões cristalinas, mas o comprimento das cadeias dificulta a cristalização total. Para além as ligações atrás referidas, asforças de van der Waalsassumem um importante papel na formação dos cristais, controlando a aproximação das moléculas e mantendo-as nos seus mínimos energéticos.

Em geral, os cristais formam-se a partir de substâncias fluidas à medida que estas vão sofrendo solidificação ou precipitação (caso se trate de umasolução). A forma mais comum de cristalização consiste na existência de uma solução, a partir da qual o material que forma o cristal vai precipitando e, no processo, cada átomo ou molécula vai assumindo uma posição que é determinada pelos átomos ou moléculas vizinhas.

OGálioé um metal que forma grandes cristais.

A arrumação das partículas, e a sua persistência no lugar que ocupam na malha cristalina, é determinada pelo existência de um mínimo energético nessa posição, correspondente à otimização das ligações formadas entre as partículas.

Um exemplo típico deste processo é a formação de gelo: quando omovimento brownianoinduzido pelocaloré suficientemente pequeno para permitir que as moléculas de água se liguem de forma estável (em água pura aos 0ºC), as ligações entre as zonas de polarização elétrica positiva e negativa das moléculas são imobilizadas porligações de van der Waals(assim denominadas em homenagem aJohannes Diderik van der Waals), as quais as mantêm em posição. Em resultado, as moléculas da água vão sendo progressivamente presas na estrutura, formando-se o gelo. Devido à formação desta rede, e à redução deentropiaque corresponde à ordenação das moléculas, o gelo tem uma energia interna inferior à da água, daí que seja necessário fornecer umcalor de fusão(igual àquele que ele liberta quando solidifica) para o transformar novamente em água.

Um cristal policromo deBismuto.

É estecalor de fusãoque explica a estabilidade dos cristais e a tendência das substâncias puras, quando arrefecem, para assumir a forma cristalina (com elevada ordenação espacial).

Os materiais que quando solidificam não libertam um calor de fusão, como acontece com a solidificação de um vidro, apesar de em geral serem considerados sólidos, são, do ponto de vistatermodinâmico,líquidos com viscosidade quase infinita, já que as suas partículas não atingiram um estado de mínimo energético.

Outra forma comum de cristalização, e a mais frequente emgeologia,já que está presente nosmagmase nas soluções hidrotermais, é a precipitação a partir de uma solução. Um exemplo comum é o que acontece com as soluções sobressaturadas de sal comum (cloreto de sódio): quando a quantidade de sal em solução excede a que pode ser mantida àquela temperatura, os iões deSódioeClorocomeçam a agregar-se de forma estruturada (em geral em torno de impurezas ou de um cristalsemente), crescendo rapidamente por remoção de sal da solução. O mesmo acontece com a formação dos cristais no magma: a partir do material fundido vão sendo precipitados cristais que crescem por agregação dos átomos que os constituem.

Embora menos comum, mas de forma alguma rara, é a formação de cristais a partir de umgásou mistura gasosa. O exemplo mais comum é o crescimento dos cristais de neve naatmosferaporressublimação,ousublimaçãoregressiva, ao ocorrer a passagem devapor de água(um gás) directamente para sólido. O mesmo acontece com a formação de cristais deenxofrenassulfatarase de outros cristais em torno dasfumarolas.

Em condições ideais, o resultado dos processos de cristalização seria a formação de um único cristal, no qual todos os átomos (ou moléculas) encontrassem o seu lugar numa malha cristalina comum. Na realidade, porque o processo se inicia em múltiplos lugares e é instável no seu desenvolvimento, forma-se em geral uma miríade de cristais que se vão fundindo (com as óbvias imperfeições daí resultantes), à medida que as suas superfícies de crescimento se interceptam. Os sólidos policristalinos assim formados, apesar de localmente manterem a simetria imposta pela malha cristalina, assumem formas complexas onde a simetria geral pode não ser imediatamente perceptível ou mesmo não existir.

Através de processos de deposição controlada, é possível crescer grandes monocristais, como por exemplo os necessários para aplicaçõesfotoeléctricas.Devido às suas especiais propriedade (e beleza) são também criadoscristais geminados,resultado de um crescimento simétrico em torno deum eixopredefinido.

Forma dos cristais

Na natureza encontram-se cristais de formas muito diversificadas, dependentes da forma de arranjo das cargas eléctricas nos átomos ou moléculas que formam o cristal e das condições em que a cristalização se deu por exemplo aágua,pode assumir múltiplas formas cristalinas em função da forma como o cristal se formou: anevee um cubo degelosão formas completamente distintas de cristais de água, com estrutura diferenciada em função das condições de cristalização.

Pelas razões atrás apontadas, a forma dos cristais depende não só das características do material de que o cristal é formado mas também das condições de formação (um caso extremo é oCarbono:a altas pressões e temperaturas forma odiamante,a altas temperaturas e baixas pressões formagrafite,substâncias que á primeira vista nada têm em comum).

Propriedades dos cristais

Um monocristal artificial de grandes dimensões crescido porSaint-Gobainpara olaserde de alta potência doCommissariat à l'Énergie Atomique.

Os cristais apresentam propriedade ópticas e eléctricas específicas distintas das de quaisquer outros sólidos ou fluidos, o que os torna extremamente úteis em aplicações electro-ópticas e electrónicas, as quais dependem da sua estrutura, do tipo de ligações e das impurezas e defeitos na malha cristalina de que eventualmente padeçam.

A maior parte dos materiais apresenta defeitos na sua malha cristalina, em geral resultantes da presenças de átomos ou moléculas de outras substâncias ou de defeitos no posicionamento da malha durante a cristalização. Estes defeitos conferem características particulares aos cristais, estando na base de muitastecnologias.São defeitos na malha cristalina doSilício,induzidas, por exemplo, pela presença átomos deGermânioouGálio,que permitem o aparecimento desemicondutores,a base da actual tecnologia electrónica.

Os efeitos mais conhecidos da estrutura cristalina são ospiezoeléctricos,que estão na base, entre outras coisas, dos relógios de quartzo e das balanças electrónicas, osferroeléctricos,utilizados em detectores diversos, oefeito piroeléctrico,usado em detectores de calor, termómetros e detectores de intrusão, e, acima de tudo, a formação de semicondutores, os quais estão na base de toda a electrónica dostransístoresedíodosaoscomputadores.

Outras propriedades dos cristais estão a levar à utilização tecnológica dasupercondutividadea altas temperaturas e a crescentes desenvolvimentos no campo dafísica da matéria condensadaque poderão abrir novas áreas tecnológicas.

O comportamento óptico dos cristais está na base dolaser,domaser,dascâmerasfotográficas e de filmar digitais, dosdíodosemissores de luz (LED’s) e de todos os desenvolvimentos em matéria de fotoelectrónica que estão a revolucionar o mundo tecnológico.

Opleocroísmoexibido por muitos cristais abre novas perspectivas em termos de óptica e da sua utilização em técnicas analíticas.

Cristalografia

Acristalografiaé o ramo da ciência que estuda as propriedade dos cristais, a sua formação e interacção com os factores físicos e químicos, incluindo os ambientais. O nascimento da cristalografia moderna está associado a dois experimentos cruciais realizados no início doséculo XX:a descoberta dadifração de raios XporMax von Laueem 1912 e a demonstração feita no ano seguinte porWilliam Lawrence BraggeWilliam Henry Braggde que esse fenômeno pode ser usado para determinar a posição dosátomosem um cristal. Para celebrar esses eventos, a União Internacional de Cristalografia propôs que 2014 fosse declarado o Ano Internacional da Cristalografia.Por essas descobertas, oprêmio Nobel de Físicafoi atribuído a von Laue em 1914e a W. L. Bragg e W. H. Bragg no ano seguinte.

Os cristais, devido às simetrias geradas pela repetição espacial da sua estrutura atómica, assumem formas geométricas bem definidas que estão na base da sua classificação: em função do número de cadeias, dos eixos de simetria e do número e características morfológicas das faces, são agrupados emsistemas de classificaçãoque servem para identificá-los.

Dimensões

Habitualmente com alguns centímetros de comprimento, foram encontrados cristais com mais de 10 m naCaverna dos Cristaisnamina de Naica,noMéxico.

Ver também

• Ano Internacional da Cristalografia
• Ciência dos materiais
• Cristal líquido
• Cristalografia
• Estrutura cristalina
• Mineralogia
• Redes de Bravais

Ligações externas

• Introdução à cristalografia (em inglês).
• Informação geral sobre cristalografia (em inglês).
• Estruturas cristalinas (em inglês).
• Museu virtual do cristal (em inglês).
• Cristal Decoração.